DE69029941T2 - Digital regulierte FET-Dämpfungseinrichtungen - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Dämpfungsschaltkreis und insbesondere auf variable Dämpfungsvorrichtungen, die eine Feldeffekt-Technologie einsetzen.
• Elektronische Anwendungen von heute erfordern oftmals die Verwendung von Dämpfungsschaltkreisen oder -komponenten, die auf Steuersignale ansprechen, um die Größe eines Widerstands, der dadurch geliefert wird, zu variieren. Solche Dämpfungseinrichtungen sind für aütomatische Verstärkungssteuerschaltkreise, Positionslokalisierungssysteme, Telefonsysteme, Fernsehsysteme, usw., nützlich.
• Elektronisch variable Festkörper-Dämpfungseinrichtungen nach dem Stand der Technik zur Verwendung unter Funkfrequenzen (HF) setzen typischerweise PIN-Dioden ein. PIN- Dioden-Dämpfungseinrichtungen können in einer Vielzahl von Netzkonfigurationen angeordnet werden. Ein Vorspannungssteuerschaltkreis, der Feldeffekttransistoren (FET's) umfaßt, ist dazu verwendet worden, die PIN-Dioden in Abhängigkeit verschiedener, analoger Steuersignalgrößen vorzuspannen, um dadurch zu bewirken, daß das PIN-Diodennetzwerk irgendeine einer Vielfalt von Widerstandsgrößen liefert. Diskrete PIN-Dioden- Dämpfungseinrichtungen sind für eine ausgezeichnete Leistung geeignet, erfordern allerdings eine unerwünschte Menge an elektrischer Energie für solche Anwendungen. Weiterhin sind PIN-Dioden nicht einfach in einen monolithischen Schaltkreis zu integrieren.
• Andere Maßnahmen nach dem Stand der Technik sehen elektronisch variable Dämpfungseinrichtungen vor, die manchmal FET's, wie beispielsweise Metall-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren (Metal Semiconductor Field Effect Transistors - MESFET's) aus Galliumarsenid (GaAs), verwenden. Diese Vorrichtungen können auch in einer Vielfalt von Netzwerken angeordnet werden und jede Vorrichtung kann ohne Vorspannung arbeiten und verbraucht nahezu keine elektrische Energie mit Ausnahme während Umschaltvorgängen. Analoge Steuersignale werden an die Gatter dieser Vorrichtungen angelegt, um den Dämpfungspegel einzustellen. Die Widerstandsgröße, die durch jeden FET geliefert wird, wird durch Steuerung der Tiefe des nicht verarmten Kanals in der Vorrichtung kontrolliert. Leider tendiert eine solche Variation der Tiefe des nicht verarmten Kanals zu einer nicht linearen Übertragungscharakteristik, die hohe Zwischenmodulationspegel zwischen HF-Signalen, die dazu zugeführt werden, liefert. Dies bewirkt die Erzeugung unerwünschter Frequenzkomponenten. Um eine solche harmonische Verzerrung zu minimieren, verwenden einige Dämpfungseinnchtungen nach dem Stand der Technik weitere Schaltkreiselemente, die mit den dämpfenden FET's verbunden sind. Diese Vergrößerung des Schaltkreises erhöht in nicht wünschenswerter Weise die Kosten, die Größe und das Gewicht und verringert in nicht erwünschter Weise die Zuverlässigkeit solcher Dämpfungseinrichtungen nach dem Stand der Technik. Weiterhin erfordern diese Dämpfungseinrichtungen nach dem Stand der Technik eine präzise Steuerung der Größen der analogen Steuersignale. Eine solche Präzision ist schwierig zu erreichen, da analoge Signalgrößen dazu tendieren, mit der Temperatur, der Alterung der Halbleiter, mit Variationen der Prozeßparameter von Vorrichtung zu Vorrichtung, usw., zu driften.
• Monolithische, integrierte Mikrowellenschaltkreis- (Monolithic Microwave Integrated Circuit - MMIC) Anwendungen, die GaAs-Halbleitermatenal verwenden, werden derzeit aufgrund deren Hochfrequenzhandhabungsfähigkeiten und der kleinen Größe solcher Schaltkreise entwickelt. Diese Anwendungen erfordern elektronisch variable Dämpfungseinrichtungen, die mit derzeit verfügbaren MMIC-Halbleiterherstellprozessen kompatibel sind. Die vorstehend erwähnten Dämpfungseinrichtungen nach dem Stand der Technik tendieren dazu, daß sie zu teuer sind, um sie herzustellen, nehmen zu viel Raum in Anspruch und/oder besitzen eine übermäßig hohe Fehlerrate für einige dieser Anwendungen. Auch tendieren einige komplexe Dämpfungseinrichtungen nach dem Stand der Technik, die analoge Steuersignale verwenden, dazu, zu langsam zu arbeiten, um von den ihm eigenen Geschwindigkeitscharakteristika des MMIC-Schaltkreises Gebrauch zu machen.
• Ein Artikel von P.G.A. Jones mit dem Titel "Digitally Controlled MMIC Attenuators- Techniques and Applications", veröffentlicht in Military Microwaves '88, Conference Proceedings, 5.-8. Juli 1988, Seiten 217-222, Microwave Exhibitions and Publishers Ltd, Kent, GB, stellt Dämpfungseinrichtungen mit variablem π dar, die FET's einsetzen. Fig. 5 davon stellt eine Dämpfungseinrichtung dar, die parallel angeordnete FET's mit einer unterschiedlichen Kanalbreite einsetzt, die einen gemeinsamen Signaleingang zu ersten Gattern auf jedem FET besitzen und mit Sourcen und Drains der mehrfachen FET's zusammen und mit individuellen Vorspannungs-Steuerungen zu zweiten Gattern auf jedem der mehrfachen FET's verbunden sind. Eine Dämpfung zwischen 3,7 und 19,9 dB wurde bei 2 GHz und 2,5 und 16,1 dB bei 6 GHz erhalten.
• Das US-Patent 4 684 965 beschreibt eine monolithische, programmierbare Dämpfungseinrichtung, die eine Vielzahl FET's einsetzt. Jeder der FET's besitzt eine Vielzahl von Zellenbereichen, wobei jeder Zellenbereiche einen Drain-, einen Gatter- und einen Sourcebereich besitzt, wobei der Source- und der Drain-Bereich der Zellenbereiche parallel miteinander verbunden sind. Ein erster, ausgewählter Bereich der Gatter-Bereiche jedes der FET's ist mit einer Gatter-Eleketrode verbunden. Ein zweiter, ausgewählter, verbleibender Bereich der Gatter-Bereiche jedes der FET's besitzt die Gatter-Bereiche davon von der Gatter-Elektrode isoliert. Ein Signal, das zu der Gatter-Elektrode jedes FET zugeführt ist, wird zu den verbundenen Gatterbereichen jedes FET verteilt. In Abhängigkeit eines solchen Signals wird der gesamte Drain-Source-Widerstand eines solchen FET zwischen einem vorbestimmten, niedrigen Wert und einem vorbestimmten, hohen Wert geändert, wobei der Widerstand des vorbestimmten, hohen Werts teilweise durch die Zahl solcher isolierter Gatter-Bereiche bestimmt wird. Eine variable Dämpfung wird erhalten.
• Das US-Patent 4 734 751 beschreibt einen Signalskalierungs-MESFET mit einem segmentierten Dualgatter-Design, um eine AC-Signalübertragung zu schaffen, die in ausgewählten, diskreten Schritten einstellbar ist. Der Signalskalierungs-MESFET ist ein aktiver MESFET, der in eine n-fache Vielzahl ausgewählt aktivierter MESFET-Segmente unterteilt ist, jedes mit einer vorbestimmten Breite, mit Dualgattern für jedes Segment. Das AC-Eingangssignal wird an die ersten Gatter aller n-Segmente angelegt und ein DC- Steuersignal wird an das zweite, aktivierende Gatter jedes der n-Segmente angelegt, um den Stromfluß auf "EIN" oder "AUS" in ausgewählten Segmenten zu schalten.
• Das Patent Abstracts of Japan, Vol 5, No. 63, JP-A-56 012 772, beschreibt einen Treiberschaltkreis mit einem MOS FET, der mehrfache Gatter-Elektroden-Abschnitte einsetzt und einen Signaleingang zu den Gatter-Elektroden über einen Pufferschaltkreis liefert.
• Die EP-A-360 961 (oder das US-Patent 4 996 504 derselben Familie) beschreibt ein monolithisch integrierbares Mikrowellen-Dämpfungselement, wobei die Dämpfung zwischen verschiedenen diskreten Werten unter Verwendung von FET's umschaltbar ist. Die Source-Drain-Pfade der FET's sind in einer π-Konfiguration angeordnet.
Zusammenfassung der Erfindung
• Demgemäß ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung derjenige, elektronisch variable Dämpfungseinrichtungen zu schaffen, die für einen Hochgeschwindigkeits-, digital gesteuerten Betrieb in der Lage sind.
• Ein anderer Vorteil der Erfindung ist derjenige, variable Dämpfungseinrichtungen zu schaffen, die mit MMIC-Anwendungen kompatibel sind und die in einer monolithischen, integrierten Schaltkreisform gebildet werden können.
• Eine Lösung gemäß der Erfindung wird durch eine variable Feldeffekt-Dämpfungseinrichtung gemäß Anspruch 1 erzielt.
• Eine elektronisch variable Feldeffekt-Dämpfungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt einen Serien-Halbleiterbereich, der einen Serien-Signalpfad zwischen einer Eingangselektrode und einer Ausgangselektrode schafft.
• Ein erster Satz Gatter-Elektroden ist so angeordnet, um mit dem Serien-Halbleiterbereich zu arbeiten. Diese Gatter-Elektroden steuern die Größe des Widerstands, der zwischen der Eingangs- und Ausgangselektrode gebildet wird. Mindestens ein Shunt-Halbleiterbereich kann zwischen der Eingangselektrode oder der Ausgangselektrode und einem Referenzpotentialleiter verbunden werden. Ein zweiter Satz Gatter-Elektroden ist so angeordnet, um mit dem Shunt-Halbleiterbereich zu arbeiten, um die Größe des Widerstands zu steuern, der von dem Serien-Signalpfad zu dem Referenzpotentialleiter geschaffen ist.
• Gatter-Elektroden-Steuerleitungen sind mit ausgewählten Gatter-Elektroden des ersten und/oder zweiten Satzes der Gatter-Elektroden gekoppelt. Diese Steuerleitungen legen selektiv digitale Steuersignale in der Form von "1" oder "0" an ausgewählte Gatter-Elektroden an, um die Leitfähigkeit der Gatter-Bereiche, die den Gatter-Elektroden zugeordnet sind, zu steuern, um dadurch die Größe der Dämpfung zu steuern, die durch die Dämpfungseinrichtung geliefert wird. Die Gatter-Elektroden in jedem Satz können unterschiedliche Breiten haben, um die sich ergebende Dämpfungscharakteristik zuzuschneiden, um die Erfordernisse bestimmter Anwendungen zu erfüllen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung kann unter Bezugnahme auf die detaillierte Beschreibung und die Ansprüche erhalten werden, wenn sie zusammen mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet werden, in denen entsprechende Bezugszeichen ähnliche Teile bezeichnen.
• Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Pi-Dämpfungsnetzwerks;
• Fig. 2 zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform einer Feldeffekt-Dämpfungseinrichtung;
• Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht der Feldeffekt-Dämpfungseinrichtung der Fig. 1; und
• Fig. 4 zeigt eine Draufsicht einer anderen Feldeffekt-Dämpfungseinrichtung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
• Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Pi-Dämpfungsnetzwerks 10. HF-Signale, die gedämpft werden sollen, werden an eine Eingangsanschlußfläche oder einen -anschluß 12 angelegt, der elektrisch über einen Knoten 13 mit Masse oder einem Referenzpotentialleiter 14 über ein variables Shunt-Widerstandselement 16 und mit einer Ausgangsanschlußfläche oder einem -anschluß 18 durch ein serien-variables Widerstandselement 20 verbunden ist. Ein weiteres, variables Shunt-Widerstandselement 22 verbindet elektronisch den Knoten 24 mit dem Masseleiter 14.
• Fig. 2 stellt eine Draufsicht des Layouts einer möglichen Realisierung einer elektronisch variablen Feldeffekt-Dämpfungsvorrichtung 30 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar. Die Vorrichtung 30 schafft einen variablen Dämpfungsschaltkreis oder ein -netzwerk, das die Pi-Konfiguration 10 besitzt, die schematisch in Fig. 1 dargestellt ist. Die digital gesteuerte HF-Dämpfungsvorrichtung 30 funktioniert als eine angepaßte Dämpfungseinrichtung. Die Größe einer HF-Dämpfung wird unter Verwendung eines digital codierten Signals ausgewählt. Diskrete Dämpfungspegel können in Abhängigkeit von der Anordnung der digitalen "1" und "0" des digitalen Signals, das an die Vorrichtung 30 angelegt wird, ausgewählt werden. Die Vorrichtung 30 kann unter Verwendung einer Vielzahl unterschiedlicher Technologien, die standardmäßige Silizium- oder GaAs-Herstelltechniken umfassen, hergestellt werden. Für viele Mikrowellen-Schaltkreisanwendungen wird es nützlich sein, die Vorrichtung 30 in einer GaAs-MESFET-Technologie mit Verarmungs-Modus herzustellen. Diese Technologie ist mit MMIC-Herstellmaßnahmen kompatibel.
• Insbesondere ist die Vorrichtung 30 aus drei Halbleiter-Widerstandsbereichen oder -Elementen 32, 34 und 36 aufgebaut, die jeweils Widerständen 16, 20 und 22 der Fig. 1 entsprechen. Ein ohm'scher Kontakt 38, der mit einer Eingangsanschlußfläche 40 und einem Ende des Eingangs-Shunt-Widerstandselements 32 verbunden ist, entspricht einem Knoten 13 der Fig. 1. Weiterhin entspricht ein ohm'scher Kontakt 42, der mit dem anderen Ende eines Serien-Widerstandselements 34 und mit einem Ende des Ausgangs-Shunt-Widerstandselements 36 verbunden ist, allgemein einem Knoten 24 der Fig. 1. Eine Ausgangsanschlußfläche 44 ist auch mit einer ohm'schen Anschlußfläche 42 verbunden.
• Die Halbleiter-Widerstands-Shunt-Bereiche 32 und 36 sind durch jeweilige ohm'sche Kontaktmetallisierungen 46 und 48 abgeschlossen. Die elektrische Masseverbindung kann entweder durch eine direkte Durchgangsöffnungsverbindung durch das Halbleitersubstrat der Vorrichtung 30 oder durch Drahtbondstellen von Masseleitern 46 und 48 zu einem elektrischen Masseleiter vorgenommen werden.
• Steuerleitungen 50, 52, 54 und 56 sind mit verschiedenen Gatter-Elektroden der Halbleiter-Widerstandselemente 32, 34 und 36 verbunden. Quer schraffierte Flächenbereiche 60, 62, 64, 66 und 68 zeigen "Luftspalt" -Überkreuzungsstrukturen für die Steuerleitungen an. Jede Überkreuzung stellt sicher, daß die Steuerleitungen keinen elektrischen Kontakt miteinander an den vorstehend erwähnten Überkreuzungsflächenbereichen herstellen. Obwohl vier Gattersteuerleitungen in Fig. 2 dargestellt sind, kann eine größere oder eine kleinere Anzahl von Steuerleitungen leicht ausgeführt werden. Die praktische Grenze der Zahl der Steuerleitungen wird durch die bestimmte Herstelltechnologie, die verwendet wird, bestimmt.
• Fig. 3 zeigt einen Querschnitt der Vorrichtung 30 entlang der Linien 70 in Fig. 2. Genauer gesagt sind ohm'sche Kontakte 38 und 42 auf einer Oberfläche 71 des Halbleiters 72 des Widerstandselementes 34 angeordnet. Ein Rechteck 57 zeigt den Querschnitt der Gatter-Elektrode 57 an, die integral mit der Steuerleitung 56 gebildet ist. Eine aktive N- Kanal-Halbleiterschicht 72 trägt auch ohm'sche Kontakte 38 und 42 und einen gleichrichtenden Schottky-Gatterelektrodenkontakt 57. Bereiche 74 und 76 sind N+ -Flächenbereiche, die durch bekannte Verfahren unter jedem ohm'schen Kontakt 38 und 42 gebildet sind.
• Die Schottky-Gatter-Elektrode 57 kann in einer bekannten Art und Weise unter Verwendung einer geeigneten Kombination von Metallen, wie beispielsweise Wolfram, Gold und Titan, gebildet werden. Die Gatter-Elektrode 57 umfaßt den Bereich des Leiters 56, der den Bereich 34 überlegt. Die Elektrode 57 verarmt den Bereich des Halbleitermaterials 72 der verfügbaren, freien Ladungen für einen Abstand 78 unterhalb des Kontakts 57. Diese Wirkung findet statt aufgrund der Differenz in der Elektronenaffinität des Schottky- Metalls 57 und des Halbleiters an der Barrierenoberfläche 71. Der sich ergebende Verarmungsbereich besteht automatisch unter Null-Vorspannungs-Potentialzuständen. Die Tiefe dieses Verarmungsbereichs kann durch Variieren der Größe des Potentials, das an den Kontakt 57 angelegt ist, variiert werden.
• Zum Beispiel bewirkt ein negatives Potential einer ausreichenden Größe, das an die Gatter-Elektrode 57 angelegt wird, daß sich der Verarmungsbereich nach unten zu der Oberseitenoberfläche 80 des halb-isolierenden Substratmaterials 83 erstreckt, um den Verarmungsbereich zu bilden, der durch die Linie 82 begrenzt ist, der einen Bereich der Vorrichtung 30 nicht leitend gestaltet. Das Potential, das notwendig ist, um dieses Auftreten zu bewirken, wird durch die Pinch-Off-Spannung (Vp) definiert. Wenn ein Pinch- Off-Zustand vorliegt, ruft die sich ergebende Verarmung in den Trägern einen Bereich mit sehr hohem Widerstand hervor, der durch die Linie 82 begrenzt ist, in dem Halbleitermaterial 72 zwischen den ohm'schen Kontakten 38 und 42, um dadurch mindestens einen Bereich der Vorrichtung 30 meist nicht leitend zu gestalten. Alternativ verringert ein positiveres Potential, das an den Kontakt 57 angelegt ist, die Tiefe des Null-Vorspannungs-Verarmungsbereichs 78, um dadurch die Leitfähigkeit des Bereichs des Pfads, der die Gatter-Elektrode 57 zwischen den ohm'schen Kontakten 38 und 42 unterlegt, zu erhöhen, um dadurch mindestens einen Bereich der Vorrichtung 30 leitfähiger zu gestalten. Demzufolge schafft ein Null-Vorspannungs- oder positives Potential auf dem Gatter 57 einen "EIN-Zustand" und ein negatives Potential auf dem Gatter 57 liefert den "AUS- Zustand" für den Bereich der Vorrichtung 30 unter der Elektrode 57.
• Die Größe des Widerstands jedes der Widerstandselemente 32, 34 und 36 wird auch durch die Geometrie und die Materialeigenschaften des aktiven Halbleiterbereichs bestimmt. Genauer gesagt kann der Widerstand irgendeines bestimmten Pfads in einer ersten Näherung angegeben werden als: R = [(rho)*L] ÷ A Gleichung (1)
• wobei (rho) der Bahnwiderstand des aktiven Halbleitermaterials ist, L der Abstand zwischen den ohm'schen Kontakten ist und A der Querschnittsflächenbereich des aktiven Halbleiterbereichs ist. Der Bahnwiderstand des Halbleiters 72 kann in erster Näherung bestimmt werden als: (rho) = L ÷ [qu&sub0;N] Gleichung (2)
• wobei q die elektrische Ladung ist, u&sub0; die Niedrig-Feld-Mobilität des Halbleitermaterials ist und N die Dichte der freien Träger des Halbleitermaterials ist. Der Querschnittsflächenbereich des aktiven Halbleiters ist das Produkt der Tiefe des aktiven Bereichs mal der Breite des aktiven Bereichs. Eine maximale Tiefe des aktiven Bereichs ist die Dimension, die durch den Abstand 84 in der Fig. 3, zum Beispiel, dargestellt ist. Die Dimension L für dieses Serien-Widerstandselement 34 der Fig. 2 ist mit "LT" bezeichnet und ist für jedes Shunt-Widerstandselement 32 und 34 mit "LS" bezeichnet. In Fig. 2 ist die maximale Breite des aktiven Bereichs mit "WT" für das Serien-Widerstandselement und mit "WS" für jedes der Shunt-Widerstandselemente 32 und 36 bezeichnet.
• Shunt-Gatter-Elektroden 94, 96, 102, 104, 110 und 112 und Serien-Gatter-Elektroden 57, 114 und 115 sind mit einer der Gattersteuerleitungen 50, 52, 54 und/oder 56 verbunden oder integral damit gebildet. Jede dieser Gatter-Elektroden stellt einen gleichrichtenden Kontakt zu dem gesamten, unterlegenden Halbleitermaterial der Elemente 32, 34 oder 36 her.
• Jede Gatter-Elektrode arbeitet dahingehend, den Widerstand zwischen den ohm'schen Kontakten an den Enden davon durch Änderung des leitfähigen Querschnittsflächenbereichs des unterlegenden Halbleitermaterials zu modifizieren. Für normale Betriebsbedingungen wird jede dieser Elektroden auf eines der zwei Spannungspegel vorgespannt. Einer dieser Spannungspegel entspricht einer digitalen "eins". Wenn eine Gatter-Elektrode diesen Vorspannungspegel aufnimmt, befindet sich das unterlegende Halbleitermaterial in dem "EIN-Zustand". Strom kann dann in das Halbleitermaterial unterhalb der gleichrichtenden Elektrode fließen. Für die Verarmungmodus-GaAs-MESFET- Technologie, die herkömmlich für MMIC-Schaltkreise verwendet wird, beträgt diese der digitalen "1" entsprechende Spannung vorzugsweise 0,0 Volt.
• Ein anderer Spannungspegel entspricht einer digitalen "0". Wenn sich eine Gatter-Elektrode auf diesem Vorspannungspegel befindet, befindet sich der unterlegende Halbleiter in dem "AUS-Zustand" und Strom kann nicht unerhalb der Elektrode fließen. Für die Verarmungsmodus-GaAs-MESFET-Technologie ist diese digitale "0" Spannung gleich zu oder negativer als die Pinch-Off-Spannung Vp. Die Pinch-Off-Spannung des Materials ist eine Funktion der Dotierdichte des Halbleitermaterials und der Tiefe des aktiven Bereichs. Für die GaAs-MESFET-Technologie kann der Spannungspegel, Vp, ungefähr ausgedrückt werden als: Vp = [qNa²] ÷ [2(eps)] +Vbi Gleichung (3)
• wobei a die aktive Halbleiterbereichstiefe ist, (eps) die dielektrische Konstante des Materials ist und Vbi das ein gebaute Potential des gleichrichtenden Kontakts ist, das typischerweise etwa 0,8 Volt beträgt.
• Die Steuerleitung 50 umfaßt ein leitfähiges Element 90, das integral mit und senkrecht zu dem leitfähigen Element 92 gebildet ist. Das leitfähige Element 92 ist integral mit einer Gatter-Elektrode 94 gebildet, die eine Dimension W3S besitzt, die sich über das erste Shunt-Halbleitermaterial 32 erstreckt. Das leitfähige Element 92 ist auch integral mit einer anderen Gatter-Elektrode 96 gebildet, die auch eine Dimension W3S besitzt, die sich über das Shunt-Widerstandshalbleitermaterial 36 erstreckt. Die Steuerleitung 52 besitzt auch senkrechte, leitfähige Elemente 98 und 100. Das Element 100 ist integral mit der Gatter-Elektrode 102 mit einer Breite W2S, die sich über das Shunt-Halbleitermaterial 32 erstreckt, und der Gatter-Elektrode 104, die eine Breite von W2S besitzt, die sich über das Halbleitermaterial 36 erstreckt, gebildet. Das Element 98 ist integral mit der Gatter-Elektrode 115, die eine Breite von W2T, die sich über das Halbleitermaterial 34 erstreckt, gebildet. Ähnlich umfaßt die Steuerleitung 54 senkrechte, leitfähige Elemente 106 und 108. Das Element 108 ist integral mit einer Gatter-Elektrode 110, die eine Breite W1S besitzt, die sich über das Halbleitermaterial 32 erstreckt, und einer anderen Gatter-Elektrode 112, die auch eine Breite W1S besitzt, sich allerdings über das Halbleitermaterial 36 erstreckt, gebildet. Das Element 106 ist integral mit der Gatter-Elektrode 114 der Breite W3T, die sich über das Halbleitermaterial 34 erstreckt, gebildet. Weiterhin umfaßt die Steuerleitung 56 nur ein Element, das integral mit der Gatter-Elektrode 57 der Breite W4T, die sich über das Halbleitermaterial 34 erstreckt, gebildet ist.
• Wenn eine digitale "0" Steuerspannung an die Steuerleitung 56 angelegt wird und eine digitale "1" an die Steuerleitungen 50, 52 und 54 angelegt wird, liefert die Vorrichtung 30 der Fig.1 eine maximale Dämpfung zwischen den Anschlüssen 40 und 44. In diesem Fall sind die Shunt-Widerstandspfade 32 und 34 nicht eingeschränkt und Strom kann unterhalb der Gatter-Elektroden 94,102 und 110 des Shunt-Widerstands 32 und unterhalb der Elektroden 96,104 und 112 des Shunt-Widerstands 36 fließen. Der Reihenwiderstandspfad 34 ist allerdings wesentlich durch die Gatter-Elektrode 57 eingeschränkt. Da der Halbleiterbereich unterhalb der Elektrode 57 eingeschnürt bzw. im Pinch-off-Zustand ist, kann Strom nur um das Ende dieser Elektrode herum fließen. Der effektive Querschnittsflächenbereich für einen Stromfluß ist deshalb das Produkt der Tiefe des Verarmungsbereichs, 78, der Fig. 2, mal der Breite des nicht eingeschränkten Bereichs. Gemäß Fig. 2 ist die nicht eingeschränkte Breite W = WT - W4T, wobei WT durch das Bezugszeichen 120 bezeichnet ist. Unter diesem Vorspannungszustand wird der Serien-Widerstandswert bei einem Maximum sein. Genauer gesagt produziert diese Kombination eines maximalen Serien-Widerstands und eines minimalen Shunt-Widerstands eine maximale Dämpfung zwischen den Anschlüssen 40 und 44.
• Wenn entweder die Steuerleitung 52 oder 54 einen "EIN-Zustand" oder eine digitale "1" Spannung aufnimmt, während der Rest der Steuerleitungen die "AUS-Zustand" Spannung aufnimmt, wird die Vorrichtung 30 in einer Zwischendämpfungsgrößeneinstellung zum Beispiel sein.
• Die tatsächlichen Größen und Werte der Widerstände, die durch die Halbleiterelemente 32, 34 und 36 geliefert werden, werden durch die Steuerung der Halbleiterdotierdichte, der Tiefe des aktiven Kanals und der geeigneten Vorrichtungsdimensionen zugeschnitten werden. Die Widerstandswerte, die jedem zugelassenen, digitalen Zustand entsprechen, werden so ausgewählt, daß spezifische Größen einer Dämpfung und einer optimalen Anpassung erreicht werden. Spezifischer stellt Tabelle 1 optimale Widerstandswerte für die Widerstände beider Shunt-Widerstandselemente 32 und 36, die gleich zueinander sind, und zu R&sub1; dar, und das Widerstandselement 34 besitzt einen Widerstand gleich zu R&sub2;. Spezifische Größen einer Dämpfung sind für eine Anpassung an ein System mit 50 Ohm dargestellt: Tabelle 1
• Fig. 4 stellt eine Draufsicht einer alternativen Ausführungsform einer digital gesteuerten HF-Dämpfungsvorrichtung 130 dar. Die grundsätzlichen Prinzipien der Betriebsweise der Vorrichtung 130 sind identisch zu denjenigen, die zuvor unter Bezugnahme auf die Betriebsweise der Vorrichtung 30 der Fig. 2 und 3 beschrieben sind. Die Vorrichtung 130 bildet auch ein P&sub1;-Netzwerk äquivalent zu dem Schaltkreis 10 der Fig. 1. Die Vorrichtung 130 besitzt eine gegenüber der Vorrichtung 30 unterschiedliche Anordnung in Bezug auf die Steuerleitungen und die Gatter-Elektroden. Ansonsten kann die Struktur der Vorrichtung 130 als identisch zu derjenigen, die zuvor unter Bezugnahme auf die Vorrichtung 30 beschrieben ist, angesehen werden.
• Genauer gesagt umfaßt die Vorrichtung 130 Gatter-Elektroden-Steuerleitungen 132, 134, 136 und 138, die integral mit Gatter-Elektroden 125, 126, 127, 128, 129, 131, 133 und 135 sind und diese betreiben, um die Shunt-Widerstandswerte zu modifizieren, die durch die Halbleiterelemente 32 und 36 geliefert werden. Steuerleitungen 140, 142, 144 und 146 steuern jeweils Gatter-Elektroden 141, 143, 145 und 147, um den äquivalenten Serien-Widerstandswert des Halbleiterelements 34 zu modifizieren. Nur die Gatter-Elektroden der Vorrichtung 130 stellen einen gleich richtenden Kontakt zu dem unterlegenden Halbleitermaterial her. Die Steuerspannungen, die durch diese Steuerleitungen geliefert werden, können individuell diese zugeordneten Gatter-Bereiche in den "EIN-Zustand" oder in den "AUS-Zustand" versetzen. Die Steuerleitungen 140, 142, 144 und 146 ermöglichen, daß der Serien-Widerstandswert auf zweiunddreißig unterschiedliche Widerstandswerte eingestellt werden kann. In ähnlicher Weise betreiben die vier Steuerleitungen 132, 134, 136 und 138 die Gatter-Elektroden, die damit verbunden sind, so, um jedes Shunt-Widerstandselement 32 und 36 auf zweiunddreißig unterschiedliche Widerstandswerte einzustellen. Eine größere Anzahl von Steuerleitungen wird einfach zu der Vorrichtung 130 hinzugefügt. Die Vorrichtung 130 erfordert eine komplexere, digitale Codierung der Vorrichtung 30, allerdings bietet die Vorrichtung 130 eine beträchtlich größere Variationsmöglichkeit als die Dämpfungsvorrichtung 30.
• Eine Zwischenmodulationsverzerrung resultiert aus der Erzeugung unerwünschter Frequenzkomponenten aufgrund der nicht linearen Übertragungscharakteristik der Vorrichtung. Eine Zwischenmodulation tendiert dazu, daß sie schlecht wird, wenn ein Kanal teilweise in Abhängigkeit einer Nicht-Null-Vorspannungs- oder Steuerspannung eingeschnürt wird. In den vorliegenden Vorrichtungen 30 und 130 können die Bereiche des Kanals, der die Gatter-Elektroden unterlegt, entweder vollständig in Abhängigkeit einer negativen Steuerspannung, Vp, eingeschnürt werden, oder in Abhängigkeit einer Null- Pegel-Steuerspannung leitend sein. Demzufolge tendieren die Vorrichtungen 30 und 130 dazu, eine minimale Größe einer Zwischenmodulationsverzerrung zu liefern, wodurch Störansprechverhalten reduziert werden. Weiterhin sind die Strukturen der Vorrichtungen 30 und 130 so angeordnet, um die parasitäre Kapazität davon zu reduzieren.
• Das, was beschrieben worden ist, sind Dämpfungsvorrichtungen 30 und 130, die auf verschiedene digitale Signale zum Liefern verschiedener, vorbestimmter Größen einer Dämpfung ansprechen. Da die Vorrichtungen 30 und 130 digital arbeiten, leiden sie nicht unter den Problemen unter denen die analogen Dämpfungseinrichtungen leiden, beispielsweise, daß sie für ein unerwünschtes Überlagern eines Rauschens, eine Alterung und Änderungen in den Vorrichtungsparametern, die bei der Verarbeitung entstehen können, übermäßig empfindlich sind. Weiterhin können die Dämpfungseinrichtungen 30 und 130 in MMIC-Strukturen vorgesehen werden und erfordern keine komplexen Größenkompensationsschaltkreise, die oftmals Lösungen nach dem Stand der Technik zugeordnet sind. Dies stellt wesentliche Einsparungen im Hinblick auf Größe und Energieverbrauch dar. Weiterhin erhöht die reduzierte Teilezahl der Vorrichtungen 30 und 130 die Zuverlässigkeit.
• Weiterhin liefern, da die Kanalbereiche, die die Gatter-Elektroden der Vorrichtungen 30 und 130 unterlegen, entweder vollständig bei dem Null-Spannungsniveau einschnüren bzw. in den Pinch-off-Zustand eintreten können oder leitfähig werden können, die Vorrichtungen 30 und 130 eine geringere Zwischenmodulationsverzerrung als andere Typen von Dämpfungsschaltkreisen, die FET's verwenden, die bei Nicht-Null-Steuerspannungen in dem teilweise Pinch-Off-Modus betrieben werden. Weiterhin sind die Strukturen der Vorrichtungen 30 und 130 so angeordnet, daß sie ein Minimum einer parasitären Kapazität besitzen, um so den Hochgeschwindigkeitsbetrieb zu erleichtern, für die GaAs-MMIC-Schaltkreise gut geeignet sind.
• Während die Erfindung in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden ist, wird für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden, daß Änderungen in der Form und in den Details darin, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, wie er beansprucht ist, zu verlassen, auftreten können.

Claims (10)

1. Variable Feldeffekt-Dämpfungsvorrichtung (30,130), die Halbleitereingangs- (38) und -ausgangs- (42) Bereiche, zwischen denen Strom durch einen ersten Kanalbereich (34) fließt, und erste, mehrfache, aktive Gatter zum Modifizieren der Eingangs-Ausgangs-Leitfähigkeit der Bereiche des ersten Kanalbereichs (34), der unter aktiven Gattern liegt, besitzt, wobei die Vorrichtung unterschiedliche, vorbestimmte Größen einer Dämpfung zwischen den Eingangs- (38) und Ausgangs- (42) Bereichen in Abhängigkeit digitaler Steuersignale liefert, die an die ersten, mehrfachen, aktiven Gatter jeweils angelegt sind, gekennzeichnet dadurch, daß die ersten, mehrfachen, aktiven Gatter (57, 114, 15; 141, 143, 145, 147) unterschiedliche Breiten (W2T, W3T, W4T) besitzen und sequentiell oberhalb des ersten Kanalbereichs (34), der die Eingangs- (38) und den Ausgangs- (42) Bereiche koppelt, angeordnet sind, wobei der Kanalbereich für alle der ersten, mehrfachen aktiven Gatter gemeinsam ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin gekennzeichnet ist durch einen Referenzhalbleiterbereich (46) und zweite, mehrfache, aktive Gatter (94, 102, 110; 133, 129, 127, 125), die sequentiell oberhalb eines gemeinsamen Kanalbereichs (32) angeordnet sind, der die Eingangs- (38) und Referenz- (46) Bereiche koppelt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, die weiterhin gekennzeichnet ist dadurch, daß jedes der zweiten, mehrfachen, aktiven Gatter (94, 102, 110; 133, 129, 127, 125) von unterschiedlicher Breite (W1S, W2S, W3S) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, weiterhin gekennzeichnet dadurch, daß dritte, mehrfache, aktive Gatter (96, 104, 112; 126, 128, 131, 135) sequentiell oberhalb eines gemeinsamen, dritten Kanalbereichs (36), der die Ausgangs- (42) und Referenz- (48) Bereiche koppelt, angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, die weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß jedes der dritten, mehrfachen, aktiven Gatter (96, 104, 112; 126, 128, 131, 135) von unterschiedlicher Breite (WI1S, W2S, W3S) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, die weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß die ersten (57, 114, 115; 141, 143, 145, 147 )und die zweiten (94, 102, 110; 133, 129, 127, 125) mehrfachen, aktiven Gatter im wesentlichen orthogonal, in Draufsicht, liegen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, die weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß die zweiten (94, 102, 110; 133, 129, 127, 125) und die dritten (96, 104, 112; 126, 128, 131, 135) mehrfachen, aktiven Gatter im wesentlichen parallel zueinander und orthogonal zu den ersten (57, 114, 115; 141, 143, 145, 147) mehrfachen, aktiven Gatter, in Draufsicht, liegen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4, 5, 6 oder 7, die weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß sich individuelle Teile der zweiten, mehrfachen, aktiven Gatter (94, 102, 110; 133, 129, 127, 125) und individuelle Teile der dritten, mehrfachen, aktiven Gatter (96, 104,112; 126, 128, 131, 135) durch ähnliche Beträge jeweils über den zweiten (32) und den dritten (36) Kanalbereich erstrecken.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, die weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens eines der ersten, mehrfachen Gatter (57, 114, 115; 141, 143, 145, 147) mit (i) mindestens einem der zweiten, mehrfachen Gatter (94, 102, 110; 133, 129, 127, 125) oder (ii) mit mindestens einem der dritten, mehrfachen Gatter (96, 104, 112; 126, 128, 131, 135) oder (iii) mit mindestens einem von beiden, den zweiten, mehrfachen Gattern (94, 102, 110; 133, 129, 127, 125) und den dritten, mehrfachen Gattern (96, 104, 112; 126, 128, 131, 135),gekoppelt sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß sich die Breite der individuellen Teile der ersten, mehrfachen, aktiven Gatter (141, 143, 145, 147) nicht wesentlich überlappt, wenn in der Richtung des Stromflusses durch den ersten Kanalbereich (34) gesehen wird.